تويت
عزل كهربايي
Electrical insulation - Isolation électrique
العـزل الكهربائـي
العزل الكهربائي electrical insulation لناقل أو مصدر طاقة واقع تحت التوتر، هو إمكانية الوصول لتحديد الطاقة ونقلها، واللمس المباشر لهذه المصادر والنواقل من دون حدوث انهيار داخلي أو خارجي. ويمكن تحقيق ذلك عادة باستخدام المواد العازلة. قد تكون المادة العازلة كهربائياً على شكل غاز أو تكون مادة سائلة أو أجساماً صلبة، وهي قادرة على تحقيق عزل كهربائي عند حدوث ارتفاع في التوتر عليها، سواء كان مصدر هذا الارتفاع في التوتر داخلياً أم خارجياً.
الهواء هو أحد المواد العازلة كهربائياً، ويحتاج عادة إلى توتر قدره n21.1kv لكل سنتيمتر حتى يمكن أن يحدث خرق فيه، وتستخدم حالياً مواد عازلة عديدة لها درجات عزل متفاوتة، يمكن التعبير عنها بدلالة ثابت العازلية الذي يعد واحداً للفراغ، وكلما زاد هذا الثابت زادت درجة العزل للمادة المستخدمة.
يبين الجدول (1) الآتي بعض القيم القياسية للمواد العازلة المتداولة.
وثمة مواد عازلة أخرى مثل غاز سادس فلور الكبريت وزيت المحولات والبولي أتيلين المشبك والزجاج والبلاستيك والأمينت والميكا.
يسري في الجسم تيار كهربائي، من الخط إلى الجسم إلى الأرض لدى لمس الإنسان خط توتر متناوب (تردد 50 هرتز) مهما كانت قيمة التوتر المطبق على الخط، تتناسب قيمة هذا التيار مع مجموع المقاومات التسلسلية في الدارة، التي لها علاقة مباشرة بنوعية المواد المغلفة للسلك الكهربائي ونوعية مادة الحذاء الذي يرتديه الإنسان، إضافة إلى مقاومة جسم الإنسان. يتحقق العزل الكهربائي في هذه الحالة باستخدام وتصنيع مواد قادرة على عدم تمرير تيار ضار بالإنسان عند لمس التجهيزات الكهربائية الحاملة للتوتر سواء بطريقة مباشرة أم غير مباشرة.
استخدام المواد العازلة في التجهيزات الكهربائية
تستخدم المواد العازلة في جميع التجهيزات والمرافق المتعلقة بها. وسيرد ذكر أهمها في مجال التجهيزات المنزلية والصناعية، وفي نقل الطاقة وفصلها ووصلها، وفي محولات الطاقة الكهربائية.
تتكون التجهيزات الأساسية المستخدمة في مختلف المنظومات الكهربائية من أسلاك نحاسية وكبول كبول ومحركات كهربائية ومولدات ولوحات وتجهيزات منزلية وصناعية متنوعة. عند نقل الطاقة الكهربائية بالتوترات المنخفضة أو العالية، باستخدام أمراس نحاسية أو ألمنيوم، تُعزل الأبراج المعدنية الحاملة للشبكة الكهربائية عن الأبراج باستخدام عوازل صلبة بورسلانية أو زجاجية أو مصنوعة من البلاستيك المقاوم. يتناسب عادة طول هذه العوازل وأبعادها مع قيمة التوتر المراد نقله عبر الخطوط. وعليه تتوافر عوازل تعليق وعوازل شد وعوازل عبور وفقاً لطريقة تنفيذ مثل هذه الشبكات، ويبين الشكل (1) بعض العوازل المتداولة في الشبكات الكهربائية.
يتطلب نقل الطاقة الكهربائية أو توزيعها استعمال مواد عازلة أيضاً؛ إذ تنقل الطاقة الكهربائية عند مختلف مستويات التوتر باستخدام كبول هي في الأصل أمراس نحاسية عارية يتم تغليفها بعدة طبقات من مواد نصف عازلة وعازلة، ومواد مقوية مهمتها إعداد كبل معزول كهربائياً يمكن تمديده بالقرب من كبل آخر حامل للتوتر، ويمكن لمسه من دون التعرض لخطر التكهرب. يبين الشكل (2) مقطعاً عرضياً في كبل توتر عالٍ، ويمكن ملاحظة الطبقات العازلة المختلفة الممكن استخدامها لتحقيق عزل كامل للتوتر.
إن نقل الإشارة ذات التوترات المنخفضة، كما في إشارات الإنذار عن الحريق والهاتف والحواسيب تحتاج أيضاً إلى كبول معزولة كهربائياً، وأحياناً يتم تحجيبها لمنع حدوث التداخل الكهرمغنطيسي.
تستخدم قواطع كهربائية في عمليات الفصل والوصل للتجهيزات والأحمال الكهربائية، ويحدث فصل هذه القواطع ووصلها شرارات كهربائية. يستخدام الهواء العادي أو المضغوط أو المفرغ لمنع حدوث الشرر، كما يستخدم غاز سادس فلور الكبريت. وجميع هذه المواد هي مواد عازلة تعمل على إطفاء القوس الكهربائية، وتمتاز بأن استخدامها يؤدي إلى تصغير حجم التجهيزات الكهربائية ورفع كفاءتها وكذلك رفع مستوى توتر العمل فيها.
بدئ باستخدام المحولات الكهربائية منذ ظهور الطاقة الكهربائية، وظهرت الحاجة إلى استخدام المواد العازلة سواء لعزل الملفات بعضها عن بعض أو لعزلها عن الغلاف المعدني الخارجي. استخدمت الزيوت العازلة لهذه الغاية، كما استخدمت سابقاً في كبول التوتر المتوسط والعالي. تُعزل الملفات عن طريق تغليفها بمواد عازلة صلبة ثم توضع ضمن زيت عازل بعد لف الملفات كلها، وذلك لتوفير العزل الكهربائي والتبادل الحراري بين الملفات والمحيط الخارجي. وقد ظهرت حديثاً محولات جافة تستخدم مواد عازلة صلبة لا تعتمد على الزيت في تركيبها مثلcast resin يطلق عليها المحولات الجافة.
عزل المنظومات الكهربائية
إضافة إلى الحاجة الماسة لعزل الكبول وأجسام المحولات عن الملفات المكونة للمحول هناك ضرورة لعزل المنظومات الكهربائية بعضها عن بعض. وفي حال الأخذ بنظام قيادة إلكتروني (الشكل3)، تلاحظ الحاجة إلى توفير طرائق عزل كهربائية متعددة، فيتم توفير محولات استطاعة أحادية الطور أو ثلاثية الطور للتمكن من عزل جسور التقويم عن الشبكة وتحقيق توتر التشغيل المطلوب، من دون أن يفرض توتر الشبكة. وثمة حاجة إلى دوائر توليد النبضات لقيادة الجسور الثايرستورية، ولتغذية هذه الدوائر لابد من محولات استطاعة تستخدم كمحولات عزل وخفض لتوتر الشبكة. وبعد الحصول على نبضات القدح، وللتمكن من ربط الدارات الإلكترونية ذات التوتر المنخفض مع بوابات الثايرستورات ذات التوتر المرتفع ومهابطها لابد من محولات عزل نبضية بنسبة تحويل واحد إلى واحد. كما أن نقل الإشارات والنبضات قد يتم أيضاً باستخدام عناصر إلكترونية ذات عزل ضوئي. تعمل هذه الدارات على تحويل النبضة أو التيار الكهربائي إلى استطاعة ضوئية، تستطيع نقل الترانزستور أو الثايرستور إلى حالة التوصيل، ومن ثمَّ يمكن تشغيل نظام توتر عالٍ بنبضات قدح قادمة من منابع ذات توتر منخفض من دون حدوث انهيار لهذه المنابع ذات التوتر المنخفض.
يمكن أن تتم عملية قياس توتر المنبع ذي التوتر العالي باستخدام محولات توتر خاصة تعمل على تخفيض التوتر، حتى يمكن قياسه بأجهزة القياس المتوافرة. كما أن التيارات العالية المارة في الخطوط أو المولدات أو المحولات يمكن قياسها من دون تعريض أجهزة القياس للخطر، وذلك باستخدام محولات تيار خاصة.
درجة العزل للمواد
إن عملية عزل الأسلاك الكهربائية عن جسم الآلة وحمايتها من عدم الانهيار عند ارتفاع درجة حرارة هذه الملفات، يتم تحقيقها باستخدام مواد عازلة خاصة تطلى بها الصفائح والأسلاك. وتأخذ درجة العزل رتبة تتناسب ودرجة الحرارة الممكن تحملها فوق درجة حرارة المحيط الخارجي. وتبعاً للمواصفة العالمية IEC- 947-4-1 المحددة للعمل ضمن المجال -5 ْم ـ +45 ْم تصنف درجة العزل كما هو مبين في الجدول (2).
درجة الحماية
تتعرض التجهيزات الكهربائية الحاملة للتوتر لحدوث تماس مباشر مع الأجزاء المتحركة الحاملة للتوتر أو لمواد غريبة معدنية أو لغبار، وهي متوضعة ضمن الحجرة الخاصة به، كما قد تتعرض للرطوبة والمياه. ولحماية الأشخاص والتجهيزات من التكهرب والانهيار الناجم عن انخفاض مستوى العزل نتيجة دخول هذه المواد والمياه يتم توصيف درجة الحماية للتجهيزات الكهربـائية بـأرقـام لها دلالات موضحة في المواصفات العالمية مثل المعايير، IEC 947-1, IEC 529, NEMA 250 - BS - 5490, NF/UTE C20 - 010. يرمز لدرجة الحماية بـIPXX إذ يشير الرقم الأول إلى درجة حماية الأشخاص من التماس غير المباشر مع الأجهزة المتحركة وإلى عدم وصول مواد غريبة (معدنية، غبار، أدوات، يد عامل) إلى داخل الحجرة الحاوية للتجهيزات الكهربائية. ويشير الرقم الثاني إلى درجة حماية التجهيزات الداخلية الحاملة للتوتر من الرطوبة والمياه الساقطة من مختلف الجهات. وكمثال فإن جهاز بدرجة حماية IP 66 يمكن تشغيله تحت الماء من دون حدوث أي مشكلة انهيار أو تكهرب.
هاشم ورقوزق
Electrical insulation - Isolation électrique
العـزل الكهربائـي
العزل الكهربائي electrical insulation لناقل أو مصدر طاقة واقع تحت التوتر، هو إمكانية الوصول لتحديد الطاقة ونقلها، واللمس المباشر لهذه المصادر والنواقل من دون حدوث انهيار داخلي أو خارجي. ويمكن تحقيق ذلك عادة باستخدام المواد العازلة. قد تكون المادة العازلة كهربائياً على شكل غاز أو تكون مادة سائلة أو أجساماً صلبة، وهي قادرة على تحقيق عزل كهربائي عند حدوث ارتفاع في التوتر عليها، سواء كان مصدر هذا الارتفاع في التوتر داخلياً أم خارجياً.
الهواء هو أحد المواد العازلة كهربائياً، ويحتاج عادة إلى توتر قدره n21.1kv لكل سنتيمتر حتى يمكن أن يحدث خرق فيه، وتستخدم حالياً مواد عازلة عديدة لها درجات عزل متفاوتة، يمكن التعبير عنها بدلالة ثابت العازلية الذي يعد واحداً للفراغ، وكلما زاد هذا الثابت زادت درجة العزل للمادة المستخدمة.
يبين الجدول (1) الآتي بعض القيم القياسية للمواد العازلة المتداولة.
| المادة | الفراغ والهواء | كلوريد الهدروجين | زيت البارافين | زيت الكلوفين (اسكاريل) | البولي اتيلين | البولفنين كلوريد | البورسلان |
| ثاتب العازلية | 1 | 1.0046 | 2.2 | 6-10 | 1.3 | 5.3 | 6-8 |
| الجدول (1) | |||||||
يسري في الجسم تيار كهربائي، من الخط إلى الجسم إلى الأرض لدى لمس الإنسان خط توتر متناوب (تردد 50 هرتز) مهما كانت قيمة التوتر المطبق على الخط، تتناسب قيمة هذا التيار مع مجموع المقاومات التسلسلية في الدارة، التي لها علاقة مباشرة بنوعية المواد المغلفة للسلك الكهربائي ونوعية مادة الحذاء الذي يرتديه الإنسان، إضافة إلى مقاومة جسم الإنسان. يتحقق العزل الكهربائي في هذه الحالة باستخدام وتصنيع مواد قادرة على عدم تمرير تيار ضار بالإنسان عند لمس التجهيزات الكهربائية الحاملة للتوتر سواء بطريقة مباشرة أم غير مباشرة.
استخدام المواد العازلة في التجهيزات الكهربائية
تستخدم المواد العازلة في جميع التجهيزات والمرافق المتعلقة بها. وسيرد ذكر أهمها في مجال التجهيزات المنزلية والصناعية، وفي نقل الطاقة وفصلها ووصلها، وفي محولات الطاقة الكهربائية.
 الشكل (1) |
يتطلب نقل الطاقة الكهربائية أو توزيعها استعمال مواد عازلة أيضاً؛ إذ تنقل الطاقة الكهربائية عند مختلف مستويات التوتر باستخدام كبول هي في الأصل أمراس نحاسية عارية يتم تغليفها بعدة طبقات من مواد نصف عازلة وعازلة، ومواد مقوية مهمتها إعداد كبل معزول كهربائياً يمكن تمديده بالقرب من كبل آخر حامل للتوتر، ويمكن لمسه من دون التعرض لخطر التكهرب. يبين الشكل (2) مقطعاً عرضياً في كبل توتر عالٍ، ويمكن ملاحظة الطبقات العازلة المختلفة الممكن استخدامها لتحقيق عزل كامل للتوتر.
 الشكل (2) |
تستخدم قواطع كهربائية في عمليات الفصل والوصل للتجهيزات والأحمال الكهربائية، ويحدث فصل هذه القواطع ووصلها شرارات كهربائية. يستخدام الهواء العادي أو المضغوط أو المفرغ لمنع حدوث الشرر، كما يستخدم غاز سادس فلور الكبريت. وجميع هذه المواد هي مواد عازلة تعمل على إطفاء القوس الكهربائية، وتمتاز بأن استخدامها يؤدي إلى تصغير حجم التجهيزات الكهربائية ورفع كفاءتها وكذلك رفع مستوى توتر العمل فيها.
بدئ باستخدام المحولات الكهربائية منذ ظهور الطاقة الكهربائية، وظهرت الحاجة إلى استخدام المواد العازلة سواء لعزل الملفات بعضها عن بعض أو لعزلها عن الغلاف المعدني الخارجي. استخدمت الزيوت العازلة لهذه الغاية، كما استخدمت سابقاً في كبول التوتر المتوسط والعالي. تُعزل الملفات عن طريق تغليفها بمواد عازلة صلبة ثم توضع ضمن زيت عازل بعد لف الملفات كلها، وذلك لتوفير العزل الكهربائي والتبادل الحراري بين الملفات والمحيط الخارجي. وقد ظهرت حديثاً محولات جافة تستخدم مواد عازلة صلبة لا تعتمد على الزيت في تركيبها مثلcast resin يطلق عليها المحولات الجافة.
عزل المنظومات الكهربائية
 الشكل (3) |
يمكن أن تتم عملية قياس توتر المنبع ذي التوتر العالي باستخدام محولات توتر خاصة تعمل على تخفيض التوتر، حتى يمكن قياسه بأجهزة القياس المتوافرة. كما أن التيارات العالية المارة في الخطوط أو المولدات أو المحولات يمكن قياسها من دون تعريض أجهزة القياس للخطر، وذلك باستخدام محولات تيار خاصة.
درجة العزل للمواد
| درجة العزل للمادة | معدل ارتفاع درجة الحرارة |
| A | 85 |
| E | 100 |
| B | 110 |
| F | 135 |
| H | 160 |
| الجدول (2) | |
درجة الحماية
تتعرض التجهيزات الكهربائية الحاملة للتوتر لحدوث تماس مباشر مع الأجزاء المتحركة الحاملة للتوتر أو لمواد غريبة معدنية أو لغبار، وهي متوضعة ضمن الحجرة الخاصة به، كما قد تتعرض للرطوبة والمياه. ولحماية الأشخاص والتجهيزات من التكهرب والانهيار الناجم عن انخفاض مستوى العزل نتيجة دخول هذه المواد والمياه يتم توصيف درجة الحماية للتجهيزات الكهربـائية بـأرقـام لها دلالات موضحة في المواصفات العالمية مثل المعايير، IEC 947-1, IEC 529, NEMA 250 - BS - 5490, NF/UTE C20 - 010. يرمز لدرجة الحماية بـIPXX إذ يشير الرقم الأول إلى درجة حماية الأشخاص من التماس غير المباشر مع الأجهزة المتحركة وإلى عدم وصول مواد غريبة (معدنية، غبار، أدوات، يد عامل) إلى داخل الحجرة الحاوية للتجهيزات الكهربائية. ويشير الرقم الثاني إلى درجة حماية التجهيزات الداخلية الحاملة للتوتر من الرطوبة والمياه الساقطة من مختلف الجهات. وكمثال فإن جهاز بدرجة حماية IP 66 يمكن تشغيله تحت الماء من دون حدوث أي مشكلة انهيار أو تكهرب.
هاشم ورقوزق